调节阀噪声分析及气穴研究

套筒式调节阀是一种特殊的调节阀，典型的结构如图1所示。其阀体与直通单座式阀体相似，但阀内有1个圆形套筒，套筒四周有不同形状的开口，要根据流通能力大小来设计窗口的数量。利用套筒导向，阀芯可以在套筒中上、下移动，并实现流量调节。由于套筒调节阀采用平衡型的阀芯结构；因此不平衡力小、稳定性好、不易振荡，从而很大程度上改善了原有阀芯容易损坏的现象。

噪声污染已成为世界公认的四大污染源之一。各国都投入了大量资金来控制噪声，人们对噪声控制提出了更高的要求。调节阀通常是管道系统中的噪声源。当压力降低到一定的临界值时，容易引起气穴、气蚀，并伴有流体噪声和振动。调节阀流道结构是影响调节阀噪声的关键因素；因此，有必要研究调节阀结构。

图1 套筒式调节阀

1 调节阀噪声的原因

1.1 机械振动产生噪声

调节阀产生的机械噪声主要来自阀芯、阀杆和一些可移动部件，主要是由于介质压力波动或介质冲击的影响，以及调节套筒外圆与阀体导向装置之间的较大间隙。机械振动引起刚性碰撞，产生金属噪声和敲击声，噪声振幅的大小由碰撞能量、振动体质量、阻尼、刚度等决定，振动频率一般为1500Hz。

1.2 气体动力产生的噪声

当气体介质通过调节阀的节流孔时，会产生气体动力噪声，主要是涡旋分离声。大量研究表明，当气体流量低于声速时，噪声主要是由强扰流引起的；当气体流量大于声速时，介质会产生冲击波，噪声会急剧增加。一般来说，通过调节阀产生的压缩介质噪声是最严重的。

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1.3 液体动力产生的噪声

当液体介质通过调节阀的节流孔时，会产生液体动力噪声。当液体通过节流口时，由于节流口面积的快速变化，流量面积缩小，流量增加，压力下降，容易产生堵塞流、闪蒸和空化。一般来说，当节流口前后压差不大时，调节阀噪声很小，不考虑噪声问题；但当节流口两侧压差过大时，会出现闪蒸现象，导致气体和液体相流，两相介质的减速和膨胀自然形成噪声。开始空化的点称为临界点，调节阀的压差为Δpc(开始空化时调节阀压差)，完全空化时的压差为ΔpT。

流体流动噪声（Δp≤Δpc）：

噪声初始空化（Δpc＜Δp＜ΔpT）：

噪音完全空化（Δp＞ΔpT，且p2＞pv）：

式中，LP它是调节阀下游1的介质动力噪声的声压级m，并离管道1m测量，单位为dB（A）；KV是特定流量下的流量系数；Kc是初始空化系数；FL液压恢复系数；H管壁厚；Δp是调节阀前后压差；pv液体饱和蒸汽压；p一是阀前压力；p二是阀后压力。

可以看出，压差和流速对噪声的影响最大。速度越高，压差越大，噪声越大。当然，流量系数、直径、壁厚、温度等因素都会影响噪声。

2 数值模拟

2.1 流道建模和网格划分

计算模型采用图1所示的套筒调节阀，通过三维建模软件UG进出口直径为80mm，套筒窗的尺寸是根据设计计算的。在模拟分析之前，应将流体部分划分为网格，通过布尔计算得到调节阀在不同开度下的三维流道图，并保存成.step格式。通过ICEM计算网格数为30万的网格划分。

2.2　Fluent采用的设置

将.msh文件导入Fluent，设置后计算。本算例湍流模型采用标准K－ε非结构网格采用模型和离散方程的求解方法SIMPLE算法、速度压力场采用隐藏的全场迭代解决方案，边界条件规定了进口总压力和出口压力。设置上述解决方案控制方程后，可获得不同开度的阀芯模型。

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2.3 模拟结果分析

模拟结果如图2所示。A当流量突然增加，压力迅速下降，节流口附近的负压很低。当压力降到一定程度时，闪蒸和空化现象随之而来。这种现象也可以从图3中显示的调节阀开度下的速度云图中验证。因此，为了改善结构，尽可能提高负压值，减少负压区域，可以降低噪音。阀芯拐角处压力降大，产生漩涡区域，造成能量损失，降低能量利用率。

图2 调节阀计算流线图

图3 调节阀计算速度云图

3 调节阀噪声降低的方法

为了从根本上消除调节阀的噪声，应从声源进行处理。设计机构的新型低噪声阀芯降低了噪声产生的流量和压差。通常采用以下两种方法。

1）设计迂回路径。阀芯节流处设计分隔的小迂回路径，由于介质和边界层的湍流切应力，形成粘性应力，最大限度地提高压降百分比。

2)采用阶梯式阀芯结构。当介质通过特殊的阀芯和阀座时，设计多级阶梯式阀芯结构，改变介质密度，降低压力，减缓介质流量。该方法特别适用于液体容易空化的场合。

4 结语

通过对调节阀噪声预测计算公式的分析，找出了调节阀噪声的原因；同时，通过CFD该技术可视化模拟了调节阀的内部流场，找到了噪声源，认为由于流量和压降的增加，空化和闪蒸现象很容易产生，噪声会显著增加。本文提供了两种降低调节阀噪声的方法，为未来设计高性能、低噪声的调节阀提供了有效的思路。